空间机器人遥操作地面验证技术研究

摘要

随着空间探索的深入，空间机器人将发挥越来越重要的作用，空间机器人遥操作技术成为近年来的研究热点。而地面验证是遥操作的一项关键技术，本文以课题组承担的“空间机器人遥操作地面验证系统的研制”项目为背景，开展了地面验证系统总体技术研究、关键部件研制、典型故障分析并建立地面实验系统，进行实验研究。研究内容主要包括以下几个方面：
　　结合空间机器人遥操作地面验证的需求，提出了空间机器人遥操作地面验证系统的总体方案。所设计的地面验证系统采用半实物半数字模型的验证方案，包括时延模拟模块、星务模拟模块、空间机械手模拟器及动力学仿真模块四个部分。该系统考虑了遥操作系统其它子系统的研制需要，可作为其它子系统测试联调的操作对象，能有效加快整个遥操作系统的研制进度。此外，该系统还考虑了实际的测控体制及天地通信链路对遥操作任务执行的影响，大大提高了验证结果的实际价值。
　　根据地面验证系统的总体方案，研制了时延模拟模块和空间机械手模拟器两个关键部件。基于对空间机器人遥操作天地通信链路各个环节的分析并参考国外同类项目，估算了遥操作时延的大小。根据估算结果，时延模拟模块采用缓冲区的方式实现了时延模拟。空间机械手模拟器用于验证遥操作命令的解析、执行时序以及机械手中央控制器的运算能力，采用和星上设备一致的软件、电气接口以及通信协议。
　　针对空间机器人在轨运行时可能发生故障，提出了典型故障的分析方法，可以仿真分析出空间机器人故障情况下执行遥操作任务时基座姿态和机械手末端位姿的变化。在此基础上，分析了几个有代表性的遥操作任务在发生单关节卡死故障时的执行能力，得出的结论有很强的实际价值，可提高地面验证系统应对突发状况的能力。
　　最后，针对实际需要，搭建了测试系统，开展了地面验证系统的测试实验。实验内容包括自主模式直线轨迹跟踪实验、遥编程模式圆弧轨迹跟踪实验、主从模式视觉监测实验，为地面验证系统投入后续的实际运用奠定了基础。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.1.1 课题来源

1.1.2 研究的目的及意义

1.2 空间机器人遥操作地面验证技术现状

1.2.1 基于德国ROTEX机器人的遥操作地面验证

1.2.2 基于日本ETS-VII机器人的遥操作地面验证

1.2.3 基于德国ROKVISS机器人的遥操作地面验证

1.3 空间机器人遥操作地面验证现状分析

1.4 本文主要研究内容及章节安排

第2章 空间机器人遥操作地面验证系统设计

2.1 引言

2.2 空间机器人遥操作系统

2.2.1 空间机器人系统功能与组成

2.2.2 空间机器人遥操作系统组成和控制模式

2.3 地面验证系统的方案设计

2.3.1 星上系统的验证需求

2.3.2 地面验证系统功能要求

2.3.3 地面验证系统的组成

2.4 各组成部分的方案

2.4.1 空间机械手模拟器

2.4.2 星务模拟模块

2.4.3 动力学仿真模块

2.4.4 时延模拟模块

2.5 本章小结

第3章 时延模拟模块及空间机械手模拟器的研制

3.1 引言

3.2 时延模拟模块

3.2.1 遥操作时延分析

3.2.2 遥操作时延模拟

3.3 空间机械手模拟器

3.3.1 中央控制器电模拟器研制

3.3.2 CAN总线通信的实现

3.3.3 空间机械手模拟器时序

3.4 本章小结

第4章 典型故障分析与地面验证

4.1 引言

4.2 基本坐标定义

4.3 空间机器人运动学基本方程

4.4 故障分析算法流程

4.5 典型遥操作任务故障分析

4.5.1 目标释放试验

4.5.2 多关节联动试验

4.5.3 视觉监测试验

4.5.4 典型遥操作任务故障结论

4.6 本章小结

第5章 地面验证系统实验

5.1 引言

5.2 系统构成

5.3 实验及分析

5.3.1 自主直线轨迹跟踪实验

5.3.2 遥编程圆弧轨迹跟踪实验

5.3.3 主从遥操作视觉监测实验

5.4 本章小结

结论

参考文献

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致谢